netlink实现分析

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1、内核与用户空间通信第二部分-netlink本文档的Copyleft归wwwlkk所有，使用GPL发布，可以自由拷贝、转载，转载时请保持文档的完整性，严禁用于任何商业用途。E-mail:wwwlkk126com来源：netlink实现分析1）网络file对象。12）netlink网络file对象。33）netlink消息接收端。5（3.1）内核路径注册netlink接收端。6（3.2）用户进程注册netlink接收端。6（3.3）内核netlink接收端接收消息。6（3.4）用户进程netlink接收端接收消息。64）通信效率分析。75）实现零拷贝的两个理论方案。7（1）网络file对象当网络双

2、方的通信线路建立好之后，双发就可以开始互相传递数据，可以使用writeoffread（）传递数据。可见网络通信也同样使用了文件系统的架构，这里的file对象是比较特殊的，结构如图1所示：structfileprivatedatainode;&sockettlkopsnetlink实现分析2010-10-096/7.owner=图1网络file对象结构其中staticconststructfile_operationssocket_file_ops=THIS_MODULE,.llseek=no_llseek,.aio_read=sock_aio_read对应read().aio_write=so

3、ck_aio_write对应write().poll=sock_poll,.unlocked_ioctl=sock_ioctl,.mmap=sock_mmap,.open=sock_no_open,/*specialopencodetodisallowopenvia/proc*/.release=sock_close,.fasync=sock_fasync,.sendpage=sock_sendpage,.splice_write=generic_splice_sendpage,.splice_read=sock_splice_read,;说明：如果file-f_op-write为空，则会调用

4、file-f_op-aio_writefile-f_op-read为空，则会调用file-f_op-aio_read从sock_aio_write()开始的函数调用流程如下：sock_aio_write()Tdo_sock_write()T_sock_sendmsg()Tsock-ops-sendmsg(iocb,sock,msg,size);从sock_aio_read()开始的函数调用流程如下：sock_aio_read()Tdo_sock_read()T_sock_recvmsg()T_sock_recvmsg_nosec()Tsock-ops-recvmsg(iocb,sock,msg

5、,size,flags);可见发送和接受过程最终都是调用操作函数集sock-ops，其结构如下:structproto_ops*owner;(*release)(structsocket*sock);(*bind)(structsocket*sock,structsockaddr*myaddr,intsockaddr_len);(*connect)(structsocket*sock,structsockaddr*vaddr,intsockaddr_len,intflags);(*socketpair)(structsocket*sock1,structsocket*sock2);(*acce

6、pt)(*getname)intfamily;(structsocket*sock,structsocket*newsock,intflags);(structsocket*sock,structsockaddr*addr,int*sockaddr_len,intpeer);(structfile*file,structsocket*sock,structpoll_table_struct*wait);(structsocket*sock,unsignedintcmd,unsignedlongarg);unsignedint(*poll)intintintintstructmoduleinti

7、ntintintintint(*ioctl)(*compat_ioctl)(structsocket*sock,unsignedintcmd,unsignedlongarg);(*listen)(structsocket*sock,intlen);(*shutdown)(structsocket*sock,intflags);int(*setsockopt)(structsocket*sock,intlevel,intoptname,char_user*optval,unsignedintoptlen);int(*getsockopt)(structsocket*sock,intlevel,i

8、ntoptname,char_user*optval,int_user*optlen);int(*compat_setsockopt)(structsocket*sock,intlevel,intoptname,char*optval,unsignedintoptlen);int(*compat_getsockopt)(structsocket*sock,intlevel,intoptname,char*optval,int*optlen);int(*sendmsg)(structkiocb*iocb,structsocket*sock,structmsghdr*m,size_ttotal_l

9、en);int(*recvmsg)(structkiocb*iocb,structsocket*sock,structmsghdr*m,size_ttotal_len,intflags);int(*mmap)(structfile*file,structsocket*sock,structvm_area_struct*vma);ssize_t(*sendpage)(structsocket*sock,structpage*page,intoffset,size_tsize,intflags);ssize_t(*splice_read)(structsocket*sock,loff_t*ppos

10、,structpipe_inode_info*pipe,size_tlen,unsignedintflags);应用程序的bind()jlisten(),accept(),connect(),read(),write(),close()都最终调用structproto_ops内的函数。(2)netlink网络file对象当网络应用程序调用socket。时，将会建立如图1所示的file结构。例如：socket(AF_NETLINKSOCK_RAW,NETLINK_GENERIC);函数调用流程如下：SYSCALL_DEFINE2(socketcall,int,call,unsignedlong_

11、user*,args)Tsys_socket()SYSCALL_DEFINE3(socket,int,family,int,type,int,protocol)-sock_create()T_sock_create()Tpf=rcu_dereference(net_familiesfamily)Terr=pf-create(net,sock,protocol,kern);Tsock_map_fd()在staticint_initnetlink_proto_init(void)中可以看到netlink协议的注册函数：sock_register(&netlink_family_ops);其中sta

12、ticconststructnet_proto_familynetlink_family_ops=.family=PF_NETLINK,.create=netlink_create,.owner=THIS_MODULE,/*forconsistency8)*/;现在可以知道上边的pf-create(net,sock,protocol,kern)是调用netlink_create()生成的file对象结构如图2所示：Anctiinkopssinternetlinksock一一structsock$k;斗十u32pid;u32dst_pid;u32dstgroup;u32flags;u32subs

13、eriptKjns；u32ngroups;unsignedlongroups;unsignedlongstute:wailqiienc_hcad_wait;structrietlinkcailback*cb；structniutex+cb_Tiuitex;structmutexeb_defmutex;void(*netlinkrcv)(stmctsk_buff*skb);struefmodule*modulc;Mructsocketsocketstatestate;shorttype；unsignedLongflags;structfasynextinct4fasynclist;wait_qu

14、eue_head_twait;structflcEak;tons!structprotoopsops;&socket_tlk_opsstructtilepijva(e_daUstruC1Sncket-alJoc5“struct$1)42ketsocket盃伽tdUiwk伽舁祖M少加血；/图2netlink的file对象结构其中staticconststructproto_opsnetlink_ops=.family=PF_NETLINK,.owner=THIS_MODULE,.release=netlink_release,.bind=netlink_bind,.connect=netlink

15、_connect,.socketpair=sock_no_socketpair,.accept=sock_no_accept,.getname=netlink_getname,.poll=datagram_poll,.ioctl=sock_no_ioctl,.listen=sock_no_listen,.shutdown=sock_no_shutdown,.setsockopt=netlink_setsockopt,.getsockopt=netlink_getsockopt,.sendmsg=netlink_sendmsg,.recvmsg=netlink_recvmsg,.mmap=soc

16、k_no_mmap,.sendpage=sock_no_sendpage,;structsock对象是包含在netlink_sock中。(3)netlink消息接收端一个netlink消息接收端口必须先在内核中注册后，其它内核路径才可能将消息发送给这个接收端。内核中netlink所有的接收端都必须在nl_tables中注册，如图3所示:strucEnetlinksoclstructncdink_ockstructntbtlink_tabicstructnl_pi(i_hash阴希;structhhst_hcadmclist;unsigned(?ng*listeners;unsignedmtn_

17、nwnroct;unsignedintgroups;stnictnnirexcb-inutexistructmodule*modulc:mtregistered；structulpidhashstructhJhthemlunsignedlongrel!n_tiie;unsignedhnnik;unsignedunsignedyftentries;unsigneynitTnax_sliiii;u32rn/structsockstructhlistnodesktnode;-nQQQQQQQQaastructsk_bufT_heads!netlink_rcv(skb);其中nlk-netlink_r

18、cv指向netlink_kernel_create()中的inputo在发送函数内就会直接调用注册的接收函数处理消息。(3.4)用户进程netlink接收端接收消息用户进程创建的netlink接收端(pid0),接收过程分为2个部分。第一部分：其它内核路径将netlink消息数据包加入sk_receive_queue队列。netlink_unicast()netlink_sendskb()今skb_queue_tail(&sk-sk_receive_queue,skb);第二部分：用户空间调用read接收数据(也可以调用其它函数比如recvmsg()。read(Q陷入内核态netlink_re

19、cvmsg()9内核与用户空间通信第二部分netlinkskb_recv_datagram（Q_skb_recv_datagramskb=skb_peek（&sk-sk_receive_queue）;用户空间通过调用接收函数来获取netlink消息。（4）通信效率分析现在可以看到：1. 在内核中给内核注册的netlink接收端发送消息效率是比较高，因为不需要进行数据的一次拷贝，直接把发送端生成的skb作为参数，接收端直接处理这个skb。2. 但是用户空间和内核的通信效率就比较低了，因为需要进行数据的一次拷贝。用户空间使用structmsghdr结构存储消息，内核空间使用skb存储消息，所以必须

20、进行消息类型的转换，而且还需要进行消息数据的拷贝。用户空间和内核的通信必须进行数据的拷贝原因有2点：（在misc设备实现机制中也有讲解）1. 用户空间使用的线性地址是在前3个G的空间，而内核使用的线性地址是在第4个G，所以用户空间没法使用内核中的线性地址。2. 当前运行进程是不断替换的，内核是使用当前运行进程的页表，虽然不同进程的页表的内核空间部分是相同的，但是用户空间部分是不同的，如果内核要长期使用某个用户空间的数据，将会出现问题（同样的线性地址，在不同的进程上下文中将会引用不同的物理地址）。（5）实现零拷贝的两个理论方案理论上是可以实现netlink数据的零拷贝，有两个方案：1. 使某个进

21、程的状态总是处于内核态。正常进行系统调用时，首先将CPU变为内核级，系统调用返回时又变为用户级。可以将用户代码和数据段的DPL改为0,这样进程就总是处于内核级。这个技术在论文IPv6下基于病毒过滤防火墙的设计与实现有提到，但是这种方案的用户空间可以随意修改内核的数据，系统会很不稳定。实现原理：CPU的cs寄存器有2位的字段，用于指明CPU的当前特权级（CPL）,值为0表示内核级，3表示用户级。当把_KERNEL_CS宏产生的值装进CS寄存器，CPU就是内核级，当把_USER_CS宏产生的值装进CS寄存器，CPU就是用户级，具体做法就是修改_USER_CS宏产生的值使CPU变为0。2. 将skb指向的数据的物理地址，映射到进程的用户空间。这个技术在misc设备实现机制中已经应用到。netlink实现分析2010-10-098/7